CN116859487B - 用于tbm的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法 - Google Patents

用于tbm的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于TBM的钻探物探一体化探测装置及超前探测方法，包括钻机、钻探物探一体化设备、多个检波器、主机和孔外电极；所述钻机能在TBM主梁的外圆周周向转动调节位置；所述钻探物探一体化设备包括随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置和随钻冲击震源装置，随钻电法电极装置用于随钻电法探测时采集数据，随钻瞬变电磁装置用于随钻瞬变电磁探测时采集数据，随钻冲击震源装置用于随钻地震探测时激发地震波；在钻进过程中可同时对掌子面前方的地质构造和含水体进行探测，且在钻进过程中从不同钻孔深度位置对异常体进行多点探测，通过三种不同的探测结果相互补充，且相互验证，可减少误报、漏报的可能性，提高探测准确率。

Description

用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法
技术领域
本发明涉及一种探测装置及超前地质预报方法，具体是一种用于TBM的钻探物探一体化探测装置及超前探测方法，属于隧道超前探测技术领域。
背景技术
全断面隧洞掘进机(tunnel boring machine，TBM)施工隧洞具有掘进速度快、成洞质量高、经济效益显著、施工环境文明等优势，故而被广泛应用于隧洞建设中。然而，TBM施工对地层的适应性较差，在施工过程中遭遇的诸如溶洞、断层或破碎带等不良地质，往往会造成突水突泥、塌方、卡机等灾害，严重危及施工安全。因此，提前探明掌子面前方的不良地质体及其含水情况极为重要。目前，适用于钻爆法施工隧道的超前地质预报方法已较成熟，基于电磁法、电法、地震波法等物探法原理的超前预报仪器设备层出不穷。不同于钻爆法施工隧道，受空间限制及TBM自身巨型金属结构影响，适用于TBM施工的超前预报方法屈指可数。其中，主流物探法有地震波法(ISIS、SWD、HSP等)、激发激化法(BEAM)等。地震波法对地质构造比较敏感且探测距离远，但无法对水体进行探测；激发激化法对水体敏感，可定量估算含水体赋存情况，但其探测距离较短，一般不超过30m，且无法对水体进行定位。由于上述地球物理探测方法的局限性，目前较多TBM配有快速超前钻机用于探测地质情况，但存在“一孔之见”的问题(即其只能在钻孔周围及前方较小范围内获得探测结果)，容易遗漏重大灾害源。且当采用单一的超前地质预报方法时，往往会造成预报结果准确性较低，不能有效识别不良地质条件。综上所述，行业内对TBM施工隧洞超前探测技术研究的进展不理想，少数几种专用探测技术都无法较好的安装在TBM上，使得目前的探测装置难以满足TBM施工需要。因此，如何提供一种适应TBM施工环境，同时具备地质构造和富水体探测能力，且具有长距离、大范围、高精度的探测装置及超前探测方法，是本行业的迫切需求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于TBM的钻探物探一体化探测装置及超前探测方法，其能适应TBM施工环境，同时具备地质构造和富水体探测能力，且具有长距离、大范围、高精度的探测装置及超前探测方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于TBM的钻探物探一体化探测装置，包括钻机、钻机周向移动滑轨、钻探物探一体化设备、多个检波器、主机和孔外电极；
所述钻机周向移动滑轨固定在TBM主梁的外圆周；
所述钻机包括钻机周向移动滑座、钻孔角度调节机构、钻机动力头进退滑轨和钻机动力头，钻机周向移动滑座装在钻机周向移动滑轨上，且能沿着该滑轨移动；钻孔角度调节机构固定在钻机周向移动滑座上部，钻机动力头进退滑轨装在钻孔角度调节机构上部，钻孔角度调节机构用于调节钻机动力头进退滑轨相对钻机周向移动滑座的角度；钻机动力头装在钻机动力头进退滑轨上，且能沿着该滑轨移动；
所述钻探物探一体化设备包括通缆钻杆组、两个随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置和随钻冲击震源装置和钻头，通缆钻杆组由多个通缆钻杆同轴连接组成，通缆钻杆组一端与钻机动力头连接、通缆钻杆组另一端与其中一个随钻电法电极装置一端同轴连接，该随钻电法电极装置另一端通过无磁通缆钻杆与随钻瞬变电磁装置一端同轴连接，随钻瞬变电磁装置另一端通过无磁通缆钻杆与另一个随钻电法电极装置一端同轴连接，另一个随钻电法电极装置另一端与随钻冲击震源装置一端同轴连接，随钻冲击震源装置另一端与钻头同轴连接；其中两个随钻电法电极装置用于随钻电法探测时采集数据，随钻瞬变电磁装置用于随钻瞬变电磁探测时采集数据，随钻冲击震源装置用于随钻地震探测时激发地震波；
所述多个检波器分别布设在隧道两侧壁上，且每个侧壁上检波器呈一排布设，用于随钻地震探测时采集地震波数据；孔外电极布设在隧道底板或隧道侧壁的空隙中，用于随钻电法探测时提供基准数据；所述主机装在TBM控制室内，主机与检波器、孔外电极、随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置、钻机和随钻冲击震源装置连接，用于控制随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置、钻机和随钻冲击震源装置的工作状态，并获取随钻地震探测时的数据、随钻电法探测时的数据和随钻瞬变电磁探测时的数据进行综合分析后，确定TBM前方的地质情况。
进一步，所述随钻电法电极装置包括随钻电法钻杆、电极棒、导电弹簧、电极活塞、电极油缸、推杆油缸、电动推杆、驱动电机和固定支架；所述随钻电法钻杆两端均通过第一通缆钻杆同型接头分别与通缆钻杆和无磁通缆钻杆同轴连接，驱动电机通过固定支架固定在随钻电法钻杆内，驱动电机的伸出端装有推杆外壳，电动推杆一端伸入推杆外壳内、且与伸出端同轴连接，电动推杆另一端装有推杆活塞，所述电极油缸为多个，多个电极油缸一端均装在推杆油缸的侧面、且均与推杆油缸内部连通，各个电极油缸另一端均与随钻电法钻杆内壁固定连接、且各个电极油缸与内壁连接处均开设通孔；推杆油缸为一端封闭、另一端敞口，电动推杆另一端通过敞口伸入推杆油缸内、且使推杆活塞与推杆油缸内壁之间为滑动密封；所述各个电极油缸内均装有电极棒和导电弹簧，电极棒一端能从通孔伸出、另一端装有电极活塞，且使电极活塞与电极油缸内壁之间为滑动密封；导电弹簧一端与随钻电法钻杆内壁固定连接、另一端固定在靠近电极活塞的电极棒外表面，使随钻电法钻杆、导电弹簧和电极棒之间形成导电通路；推杆油缸和各个电极油缸内均装有液压油；随钻电法钻杆内壁及驱动电机均通过多芯电缆与主机连接，使主机能对电极棒施加电流且对驱动电机的工作状态进行控制；随钻电法电极装置未工作时，电极棒一端未伸出随钻电法钻杆外部，且处于通孔内；随钻电法电极装置工作时，驱动电机使电动推杆向推杆油缸内移动，进而通过液压油传递压力对各个电极活塞施压，当压力大于导电弹簧的形变力时，电极棒一端从通孔伸出随钻电法钻杆外部，且导电弹簧处于压缩状态。
进一步，所述随钻瞬变电磁装置包括瞬变电磁钻杆、两个发射线圈、八通道接收线圈、探杆和高精度惯导模块；所述瞬变电磁钻杆两端均通过第二通缆钻杆同型接头分别与无磁通缆钻杆和随钻电法电极装置同轴连接，探杆装在瞬变电磁钻杆内部，探杆内部设有第一仪器仓和第二仪器仓，探杆两端均装有减震块，用于降低外部对第一仪器仓和第二仪器仓的震动；所述八通道接收线圈和两个发射线圈均处于第一仪器仓内，两个发射线圈对称装在八通道接收线圈的两端，用于收发电磁信号；高精度惯导模块装在第二仪器仓内，用于获取瞬变电磁钻杆的实时位姿数据；八通道接收线圈、发射线圈和高精度惯导模块均通过多芯电缆与主机连接，用于将数据反馈给主机，同时通过主机控制八通道接收线圈、发射线圈和高精度惯导模块的工作状态。
进一步，所述随钻冲击震源装置包括冲击震源钻杆、两个电机、卷绳器、柔性钢绳、弹簧固定器、两个位置开关、强力弹簧、金属冲击块和两个冲击块滑轨；所述冲击震源钻杆一端通过第三通缆钻杆同型接头与随钻电法电极装置同轴连接，冲击震源钻杆另一端与钻头同轴连接，两个电机对称装在冲击震源钻杆内壁，卷绳器处于两个电机之间、且卷绳器两端分别与两个电机的输出轴同轴连接，卷绳器上缠绕有柔性钢绳，两个冲击块滑轨对称固定在冲击震源钻杆内壁，金属冲击块两端分别装在两个冲击块滑轨上、且金属冲击块能在冲击震源钻杆内部沿着两个冲击块滑轨移动；弹簧固定器固定在卷绳器和金属冲击块之间，强力弹簧处于弹簧固定器和金属冲击块之间、且强力弹簧两端分别与弹簧固定器和金属冲击块固定连接；柔性钢绳一端穿过弹簧固定器与金属冲击块固定连接；所述两个位置开关对称装在两个冲击块滑轨上，用于检测金属冲击块的位置；主机与两个电机和两个位置开关均通过多芯电缆连接，用于控制两个电机的工作状态及接收两个位置开关的反馈信号；未工作时，强力弹簧处于未受力状态；工作时，第一阶段为蓄力状态，此时供电使两个电机同步转动，两个电机通过卷绳器缠绕柔性钢绳，使金属冲击块向卷绳器方向移动，同时强力弹簧受力压缩增加弹性势能；第二阶段为冲击阶段，当金属冲击块到达两个位置开关处，位置开关反馈信号给主机，主机停止对两个电机的供电，此时金属冲击块受强力弹簧的弹性势能作用快速向钻头移动，并带动柔性钢绳伸长，直至金属冲击块与钻头冲击碰撞。
进一步，在TBM护盾壳体上设有多个水平钻杆通孔，各个水平钻杆通孔成环形分布，且能使钻机到达对应位置时钻探物探一体化设备能穿过水平钻杆通孔伸出至TBM前方进行探测。
进一步，所述主机与孔外电极通过孔外电极电缆连接，主机与检波器通过地震信号传输线缆连接。
上述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，具体步骤为：
A、预设钻杆通孔：针对实施隧道掘进作业的TBM，预先在TBM护盾壳体周边与钻机等高位置设置多个水平钻杆通孔，多个水平钻杆通孔呈环形分布，水平钻杆通孔的孔径尺寸大于钻头直径，确保钻探物探一体化设备能进行水平钻进作业；
B、确定超前探测区段：结合前期勘查设计资料、地质编录以及TBM掘进所实际揭露的围岩状态对地质情况进行分析，确定可能出现的不良地质体及高风险区段；当TBM掘进至距该高风险区段20～40米时，停止掘进，准备实施超前探测；
C、组装及布置钻探物探一体化设备：首先，根据异常体可能存在的方位选择一个步骤A中预设的水平钻杆通孔，并控制钻机在钻机周向移动滑轨上移动，使其钻机动力头与所选水平钻杆通孔处于同一轴线上，然后开始组装钻探物探一体化设备，完成后将钻探物探一体化设备一端与钻机动力头同轴连接、另一端的钻头伸入所选水平钻杆通孔内；
D、实施超前探测：在钻设超前探测钻孔之前，预先在钻孔不同深度等距离设定多个随钻物探位置点，然后通过主机控制钻机启动，使其带动钻头沿钻机动力头进退滑轨向前方移动，进而使钻探物探一体化设备的钻头伸出TBM护盾壳体对前方岩体进行超前钻孔作业，在钻进过程中，当钻头到达第一个随钻物探位置点时停止钻进，并保持钻头与孔底岩石处于紧密接触状态，此时对该随钻物探位置点进行探测，具体过程为：
①随钻地震探测：通过主机向随钻冲击震源装置发送探测指令，随钻冲击震源装置在钻孔内激发地震波，各个检波器将采集的地震数据反馈给主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成地震探测工作；
②随钻瞬变电磁探测：通过主机向随钻瞬变电磁装置发送探测指令，随钻瞬变电磁装置获取周围地质的瞬变电磁信号反馈给主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成瞬变电磁探测工作；
③随钻电法探测：通过主机向随钻电法电极装置发送探测指令，此时随钻电法电极装置与孔壁处于耦合接触状态，以保证电流能在随钻电法电极装置和孔壁之间双向传导，接着随钻电法电极装置将探测的电法数据反馈给主机，同时孔外电极将探测的基准数据反馈主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成电法探测工作；
④钻探情况记录：在钻机钻进过程中，通过钻机本身配置的传感器及自动记录仪，记录钻进过程中的转速、钻压、钻速、扭矩及振动数据并绘制相关曲线，同时记录钻机钻进过程中是否出现卡钻、跳钻以及钻孔回水量是否出现明显变化的情况，从而完成第一个随钻物探位置点的探测过程；
E、持续进行各个位置点的探测：第一个随钻物探位置点探测完成后，开启钻机继续钻进，直到钻头到达第二个随钻物探位置点，此时停止钻进并重复步骤D中第一个随钻物探位置点的探测过程，完成第二个随钻物探位置点的探测；当钻头到达异常体邻近区域时，可根据需要加密随钻物探位置点，以获取更精细的异常体探测数据；如此重复，直至完成所有随钻物探位置点探测；
F、探测数据联合解释：将主机中记录的各个随钻物探位置点的随钻地震探测数据、随钻瞬变电磁探测数据以及随钻电法探测数据进行汇总，剔除掉无法使用或数据质量较差的数据点，保留数据质量相对较好的数据点，然后对三种随钻物探的汇总数据分别进行反演，具体为：首先对第一个随钻探测位置点的数据进行反演，然后取该反演结果的模型数据作为第二个随钻探测位置点的初始模型进行反演，再以该反演结果的模型数据作为第三个随钻探测位置点的初始模型进行反演，以此重复直至覆盖所有随钻物探位置点，最终得到三种随钻物探的反演结果，上述反演过程均采用现有方法，再结合步骤④钻进过程中记录的钻探情况数据进行联合解释，从而能精准判识地质构造的具体方位、含水体的水量和具***置。
进一步，所述步骤①的随钻地震探测具体过程为：主机通过多芯电缆控制两个电机同步带动卷绳器转动，进而通过卷收柔性钢绳带动金属冲击块沿着冲击块滑轨向卷绳器方向移动，同时使强力弹簧压缩积蓄弹性势能，当金属冲击块滑动至位置开关时，位置开关反馈信号给主机，主机停止对两个电机的供电，此时金属冲击块具有较大弹性势能，此时金属冲击块受强力弹簧的弹性势能作用快速向钻头移动，直至金属冲击块与钻头冲击碰撞，钻头再将该冲击力传递至与之紧密接触的孔底岩石上，从而产生地震波，震源激发完成；当地震波向前传播时，遇到异常构造会发生反射，反射回来的地震波被各个检波器接收，再经过地震信号传输线缆将信号传递给主机，主机能对地震信号进行初步分析处理，从而判断前方是否存在地质构造，并辨识其大***置。
进一步，所述步骤②的随钻瞬变电磁探测具体过程为：主机通过多芯电缆向发射线圈通入阶跃脉冲电流，发射线圈向四周发射阶跃脉冲磁场，脉冲磁场遇到含水体时会在其内引起感应涡流场，八通道接收线圈能观测该感应涡流场，并将接收的瞬变电磁响应数据通过多芯电缆回传给主机，主机对瞬变电磁信号进行初步分析处理，从而判断前方是否存在含水体，并辨识其大***置；同时，高精度惯导模块实时记录随钻瞬变电磁装置的方位角、倾角、横滚角的轨迹信息，并通过多芯电缆回传给主机，主机再结合钻孔深度数据能实时确定随钻瞬变电磁装置及其他探测装置的具***置。
进一步，所述步骤③的随钻电法探测具体过程为：具体过程为：主机通过多芯电缆向驱动电机发送电信号，驱动电机带动电动推杆向推杆油缸内移动，通过推杆活塞向液压油施加压力，液压油将压力传递至电极活塞上，进而通过电极活塞压缩导电弹簧，并带动电极棒伸出钻杆外并与钻孔壁压紧接触，同时主机通过多芯电缆对第一个随钻电法电极装置的电极棒施加测试电流，当主机通过第二个随钻电法电极装置接收到此电流时，说明两个随钻电法电极装置的电极棒均与钻孔壁耦合良好，此时主机控制驱动电机停止工作，随钻电法电极装置处于探测状态；然后开始实施探测，主机通过第二个随钻电法电极装置和孔外电极向地层发射探测电流，其中第二个随钻电法电极装置作为电极A，孔外电极作为基准电极B,然后利用第一个随钻电法电极装置和钻头接收地层中的电信号并通过多芯电缆传给主机，其中第一个随钻电法电极装置作为电极M，钻头作为电极N，主机对接收到的电信号进行分析处理，从而得到孔底周围地层的电导率和极化率，当有含水体存在时，该处的电导率和极化率会出现异常(即电导率值和极化率值较大)，从而探测确定含水体的位置；当探测完成时，通过主机控制驱动电机带动电动推杆缩回，在吸力和导电弹簧的弹力作用下使电极棒收回到钻杆内。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)适应TBM施工环境：利用了TBM自身配备的钻前钻机搭载钻探物探一体化设备开展超前物探，避开了空间限制及TBM巨型金属结构对物探设备作业的影响，使得对富水体探测具有巨大优势的瞬变电磁法也能得到使用；
(2)同时探测构造和水体：在超前钻机上同时搭载了冲击震源、瞬变电磁和随钻电极三种物探设备，可同时对掌子面前方的地质构造和含水体进行探测，实现在钻进过程中实现探测全过程；
(3)长距离、大范围探测：超前钻机最长可钻进30～50m，位于钻头后方的地震设备探测距离为80m，钻孔瞬变电磁探测半径为30m，随钻电法探测范围也有30m，因此本发明最大可进行纵向80m、钻孔半径30m范围内的构造和水体的探测，实现长距离、大范围的隧道超前预报；
(4)高精度探测：由于采用了钻孔物探的方法，距离目标地质异常体更近，且在钻进过程中从不同钻孔深度位置对异常体进行多点探测，最后反演时剔除了无效和质量差的数据，再利用筛选的有效数据进行相互补充和修正，具有探测精度高的优点；
(5)随钻随探：通过通缆钻杆和线缆将孔中物探设备与TBM中的主机相连，在完成一个位置点探测后可立即将探测数据传给主机，主机对数据进行预处理后可初步判断前方是否存在异常体以及辨识异常体大致方位，以便采取相应措施，如可在后续探测中加密异常体附近的探测点以进一步提高探测精度；
(6)多手段相互验证：采用了钻探物探一体化设备进行探测，利用搭载的冲击震源、瞬变电磁和随钻电极三种物探设备，通过三种不同的探测结果相互补充，且相互验证，可减少误报、漏报的可能性，提高探测准确率。
附图说明
图1是本发明进行水平钻孔超前探测时的整体布设示意图；
图2是图1的右视图；
图3是本发明进行倾斜钻孔超前探测时的整体布设示意图；
图4是本发明中孔中钻探物探一体化设备的连接示意图；
图5是本发明中钻机结构的示意图；
图6是图5的左视图；
图7是本发明中随钻电法电极装置的结构示意图；
图8是图7中随钻电法电极装置内部的左视图；
图9是图7中随钻电法电极装置内部的右视图；
图10是本发明中随钻瞬变电磁装置的结构示意图；
图11是本发明中随钻冲击震源装置的结构示意图；
图12是本发明钻孔中随钻物探位置点的布设示意图。
图中：1、TBM护盾壳体；2、TBM主梁；3、钻机周向移动滑轨；4、钻机；4.1、钻机周向移动滑座；4.2、钻孔角度调节机构；4.3、钻机动力头进退滑轨；4.4、钻机动力头；5、水平钻杆通孔；6、通缆钻杆；7、随钻电法电极装置；7.1、第一通缆钻杆同型接头；7.2、多芯电缆；7.3、随钻电法钻杆；7.4、电极棒；7.5、导电弹簧；7.6、电极活塞；7.7、电极油缸；7.8、液压油；7.9、推杆油缸；7.10、推杆活塞；7.11、电动推杆；7.12、推杆外壳；7.13、驱动电机；7.14、固定支架；8、无磁通缆钻杆；9、随钻瞬变电磁装置；9.1、第二通缆钻杆同型接头；9.2、瞬变电磁钻杆；9.3、减震块；9.4、发射线圈；9.5、八通道接收线圈；9.6、探杆；9.7、第一仪器仓；9.8、高精度惯导模块；9.9、第二仪器仓；10、随钻冲击震源装置；10.1、第三通缆钻杆同型接头；10.2、电机；10.3、卷绳器；10.4、柔性钢绳；10.5、弹簧固定器；10.6、位置开关；10.7、强力弹簧；10.8、金属冲击块；10.9、冲击块滑轨；10.10、冲击震源钻杆；11、钻头；12、孔外电极；13、检波器；14、地震信号传输线缆；15、多芯电缆延长线；16、孔外电极电缆；17、主机；18、TBM控制室。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种用于TBM的钻探物探一体化探测装置，包括钻机4、钻机周向移动滑轨3、钻探物探一体化设备、多个检波器13、主机17和孔外电极12；
所述钻机周向移动滑轨3固定在TBM主梁2的外圆周；
如图5和6所示，所述钻机4包括钻机周向移动滑座4.1、钻孔角度调节机构4.2、钻机动力头进退滑轨4.3和钻机动力头4.4，钻机周向移动滑座4.1装在钻机周向移动滑轨3上，且能沿着该滑轨移动；钻孔角度调节机构4.2固定在钻机周向移动滑座4.1上部，钻机动力头进退滑轨4.3装在钻孔角度调节机构4.2上部，钻孔角度调节机构4.2用于调节钻机动力头进退滑轨4.3相对钻机周向移动滑座4.1的角度；钻机动力头4.4装在钻机动力头进退滑轨3上，且能沿着该滑轨移动；
所述钻探物探一体化设备包括通缆钻杆组、两个随钻电法电极装置7、随钻瞬变电磁装置9和随钻冲击震源装置10和钻头11，通缆钻杆组由多个通缆钻杆6同轴连接组成，通缆钻杆组一端与钻机动力头4.4连接、通缆钻杆组另一端与其中一个随钻电法电极装置7一端同轴连接，该随钻电法电极装置7另一端通过无磁通缆钻杆8与随钻瞬变电磁装置9一端同轴连接，随钻瞬变电磁装置9另一端通过无磁通缆钻杆8与另一个随钻电法电极装置7一端同轴连接，另一个随钻电法电极装置7另一端与随钻冲击震源装置10一端同轴连接，随钻冲击震源装置10另一端与钻头11同轴连接；其中两个随钻电法电极装置7用于随钻电法探测时采集数据，随钻瞬变电磁装置9用于随钻瞬变电磁探测时采集数据，随钻冲击震源装置10用于随钻地震探测时激发地震波；如图4所示，随钻冲击震源装置10的长度为2m；多个通缆钻杆6、无磁通缆钻杆8和随钻瞬变电磁装置9三者总长设置为10m；
如图7至9所示，所述随钻电法电极装置7包括随钻电法钻杆7.3、电极棒7.4、导电弹簧7.5、电极活塞7.6、电极油缸7.7、推杆油缸7.9、电动推杆7.11、驱动电机7.13和固定支架7.14；所述随钻电法钻杆7.3两端均通过第一通缆钻杆同型接头7.1分别与通缆钻杆6和无磁通缆钻杆8同轴连接，驱动电机7.13通过固定支架7.14固定在随钻电法钻杆7.1内，驱动电机7.13的伸出端装有推杆外壳7.12，电动推杆7.11一端伸入推杆外壳7.12内、且与伸出端同轴连接，电动推杆7.11另一端装有推杆活塞7.10，所述电极油缸7.7为多个，多个电极油缸7.7一端均装在推杆油缸7.9的侧面、且均与推杆油缸7.9内部连通，各个电极油缸7.7另一端均与随钻电法钻杆7.3内壁固定连接、且各个电极油缸7.7与内壁连接处均开设通孔；推杆油缸7.9为一端封闭、另一端敞口，电动推杆7.11另一端通过敞口伸入推杆油缸7.9内、且使推杆活塞7.10与推杆油缸7.9内壁之间为滑动密封；所述各个电极油缸7.7内均装有电极棒7.4和导电弹簧7.5，电极棒7.4一端能从通孔伸出、另一端装有电极活塞7.6，且使电极活塞7.6与电极油缸7.7内壁之间为滑动密封；导电弹簧7.5一端与随钻电法钻杆7.3内壁固定连接、另一端固定在靠近电极活塞7.6的电极棒7.4外表面，使随钻电法钻杆7.3、导电弹簧7.5和电极棒7.4之间形成导电通路；推杆油缸7.9和各个电极油缸7.7内均装有液压油7.8；随钻电法钻杆7.3内壁及驱动电机7.13均通过多芯电缆7.2与主机17连接，使主机17能对电极棒7.4施加电流且对驱动电机7.13的工作状态进行控制；随钻电法电极装置7未工作时，电极棒7.4一端未伸出随钻电法钻杆7.3外部，且处于通孔内；随钻电法电极装置7工作时，驱动电机7.13使电动推杆7.11向推杆油缸7.9内移动，进而通过液压油7.8传递压力对各个电极活塞7.6施压，当压力大于导电弹簧7.5的形变力时，电极棒7.4一端从通孔伸出随钻电法钻杆7.3外部，且导电弹簧7.5处于压缩状态。
如图10所示，所述随钻瞬变电磁装置9包括瞬变电磁钻杆9.2、两个发射线圈9.4、八通道接收线圈9.5、探杆9.6和高精度惯导模块9.8；所述瞬变电磁钻杆9.2两端均通过第二通缆钻杆同型接头7.2分别与无磁通缆钻杆8和随钻电法电极装置7同轴连接，探杆9.6装在瞬变电磁钻杆9.2内部，探杆9.6内部设有第一仪器仓9.7和第二仪器仓9.9，探杆9.6两端均装有减震块9.3，用于降低外部对第一仪器仓9.7和第二仪器仓9.9的震动；所述八通道接收线圈9.5和两个发射线圈9.4均处于第一仪器仓9.7内，两个发射线圈9.4对称装在八通道接收线圈9.5的两端，用于收发电磁信号；高精度惯导模块9.8装在第二仪器仓9.9内，用于获取瞬变电磁钻杆9.2的实时位姿数据；八通道接收线圈9.5、发射线圈9.4和高精度惯导模块9.8均通过多芯电缆7.2与主机17连接，用于将数据反馈给主机17，同时通过主机17控制八通道接收线圈9.5、发射线圈9.4和高精度惯导模块9.8的工作状态。
如图11所示，所述随钻冲击震源装置10包括冲击震源钻杆10.10、两个电机10.2、卷绳器10.3、柔性钢绳10.4、弹簧固定器10.5、两个位置开关10.6、强力弹簧10.7、金属冲击块10.8和两个冲击块滑轨10.9；所述冲击震源钻杆10.10一端通过第三通缆钻杆同型接头10.1与随钻电法电极装置7同轴连接，冲击震源钻杆10.10另一端与钻头11同轴连接，两个电机10.2对称装在冲击震源钻杆10.10内壁，卷绳器10.3处于两个电机10.2之间、且卷绳器10.3两端分别与两个电机10.2的输出轴同轴连接，卷绳器10.3上缠绕有柔性钢绳10.4，两个冲击块滑轨10.9对称固定在冲击震源钻杆10.10内壁，金属冲击块10.8两端分别装在两个冲击块滑轨10.9上、且金属冲击块10.8能在冲击震源钻杆10.10内部沿着两个冲击块滑轨10.9移动；弹簧固定器10.5固定在卷绳器10.3和金属冲击块10.8之间，强力弹簧10.7处于弹簧固定器10.5和金属冲击块10.8之间、且强力弹簧10.7两端分别与弹簧固定器10.5和金属冲击块10.8固定连接；柔性钢绳10.4一端穿过弹簧固定器10.5与金属冲击块10.8固定连接；所述两个位置开关10.6对称装在两个冲击块滑轨10.9上，用于检测金属冲击块10.8的位置；主机17与两个电机10.2和两个位置开关10.6均通过多芯电缆7.2连接，用于控制两个电机10.2的工作状态及接收两个位置开关10.6的反馈信号；未工作时，强力弹簧10.7处于未受力状态；工作时，第一阶段为蓄力状态，此时供电使两个电机10.2同步转动，两个电机10.2通过卷绳器10.3缠绕柔性钢绳10.4，使金属冲击块10.8向卷绳器10.3方向移动，同时强力弹簧10.7受力压缩增加弹性势能；第二阶段为冲击阶段，当金属冲击块10.8到达两个位置开关10.6处，位置开关10.6反馈信号给主机17，主机17停止对两个电机10.2的供电，此时金属冲击块10.8受强力弹簧10.7的弹性势能作用快速向钻头11移动，并带动柔性钢绳10.4伸长，直至金属冲击块10.8与钻头11冲击碰撞。在TBM护盾壳体1上设有多个水平钻杆通孔5，各个水平钻杆通孔5成环形分布，且能使钻机11到达对应位置时钻探物探一体化设备能穿过水平钻杆通孔5伸出至TBM前方进行探测。
所述多个检波器13分别布设在隧道两侧壁上，且每个侧壁上检波器13呈一排布设，用于随钻地震探测时采集地震波数据；孔外电极12布设在远离孔口120m的隧道底板或隧道侧壁的空隙中，用于随钻电法探测时提供基准数据；所述主机17装在TBM控制室18内，主机17与检波器13、孔外电极12、随钻电法电极装置7、随钻瞬变电磁装置9、钻机11和随钻冲击震源装置10连接，用于控制随钻电法电极装置7、随钻瞬变电磁装置9、钻机11和随钻冲击震源装置10的工作状态，并获取随钻地震探测时的数据、随钻电法探测时的数据和随钻瞬变电磁探测时的数据进行综合分析后，确定TBM前方的地质情况。
作为本发明的一种改进，所述主机17与孔外电极12通过孔外电极电缆16连接，主机17与检波器13通过地震信号传输线缆14连接。
另外，所述无磁通缆钻杆8、瞬变电磁钻杆9.2和随钻电法钻杆7.3的材质均为无磁钢管，探杆9.6的材质为高强度PE塑料管，采用这些材质可降低钻杆金属对发射线圈9.4、八通道接收线圈9.5和高精度惯导模块9.8的信号干扰；所述金属冲击块10.8和钻头11的尾部为高强度钢材，采用该材质可减小多次冲击对两个部件的变形损害，延长使用寿命；所述电极油缸7.7内壁、用于电极棒7.4出入的随钻电法钻杆7.3上的通孔处、随钻冲击震源装置10与钻头11接触部位均涂上高强耐磨的绝缘涂层(如立方氮化硼)，以防止随钻电法探测时电流沿钻杆传递而干扰探测。
上述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，具体步骤为：
A、预设钻杆通孔：针对实施隧道掘进作业的TBM，预先在TBM护盾壳体1周边与钻机4等高位置设置多个水平钻杆通孔5，多个水平钻杆通孔5呈环形分布，水平钻杆通孔5的孔径尺寸大于钻头直径，确保钻探物探一体化设备能进行水平钻进作业；
B、确定超前探测区段：结合前期勘查设计资料、地质编录以及TBM掘进所实际揭露的围岩状态对地质情况进行分析，确定可能出现的不良地质体及高风险区段；当TBM掘进至距该高风险区段20～40米时，停止掘进，准备实施超前探测；
C、组装及布置钻探物探一体化设备：首先，根据异常体可能存在的方位选择一个步骤A中预设的水平钻杆通孔5，并控制钻机4在钻机周向移动滑轨3上移动，使其钻机动力头4.4与所选水平钻杆通孔5处于同一轴线上，然后开始组装钻探物探一体化设备，完成后将钻探物探一体化设备一端与钻机动力头4.4同轴连接、另一端的钻头11伸入所选水平钻杆通孔5内；
D、实施超前探测：在钻设超前探测钻孔之前，如图12所示，预先在钻孔不同深度等距离设定多个随钻物探位置点，然后通过主机17控制钻机4启动，使其带动钻头11沿钻机动力头进退滑轨4.3向前方移动，进而使钻探物探一体化设备的钻头伸出TBM护盾壳体1对前方岩体进行超前钻孔作业，在钻进过程中，当钻头11到达第一个随钻物探位置点时停止钻进，并保持钻头11与孔底岩石处于紧密接触状态，此时对该随钻物探位置点进行探测，具体过程为：
①随钻地震探测：通过主机17向随钻冲击震源装置10发送探测指令，随钻冲击震源装置10在钻孔内激发地震波，各个检波器13将采集的地震数据反馈给主机17，主机17分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成地震探测工作，具体过程为：主机17通过多芯电缆7.2控制两个电机10.2同步带动卷绳器10.3转动，进而通过卷收柔性钢绳10.4带动金属冲击块10.8沿着冲击块滑轨10.9向卷绳器10.3方向移动，同时使强力弹簧10.7压缩积蓄弹性势能，当金属冲击块10.8滑动至位置开关10.6时，位置开关10.6反馈信号给主机17，主机17停止对两个电机10.2的供电，此时金属冲击块10.8具有较大弹性势能，此时金属冲击块10.8受强力弹簧的弹性势能作用快速向钻头移动，直至金属冲击块10.8与钻头11冲击碰撞，钻头11再将该冲击力传递至与之紧密接触的孔底岩石上，从而产生地震波，震源激发完成；当地震波向前传播时，遇到异常构造会发生反射，反射回来的地震波被各个检波器13接收，再经过地震信号传输线缆14将信号传递给主机17，主机17能对地震信号进行初步分析处理，从而判断前方是否存在地质构造，并辨识其大***置。
②随钻瞬变电磁探测：通过主机17向随钻瞬变电磁装置9发送探测指令，随钻瞬变电磁装置9获取周围地质的瞬变电磁信号反馈给主机17，主机17分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成瞬变电磁探测工作，具体过程为：主机17通过多芯电缆7.2向发射线圈9.4通入阶跃脉冲电流，发射线圈9.4向四周发射阶跃脉冲磁场，脉冲磁场遇到含水体时会在其内引起感应涡流场，八通道接收线圈9.5能观测该感应涡流场，并将接收的瞬变电磁响应数据通过多芯电缆7.2回传给主机17，主机17对瞬变电磁信号进行初步分析处理，从而判断前方是否存在含水体，并辨识其大***置；同时，高精度惯导模块9.8实时记录随钻瞬变电磁装置9的方位角、倾角、横滚角的轨迹信息，并通过多芯电缆7.2回传给主机17，主机17再结合钻孔深度数据能实时确定随钻瞬变电磁装置9及其他探测装置的具***置。所述钻孔深度数据可通过已钻进钻杆数量和单根钻杆长度计算获得，也可通过其他钻孔深度测量仪器测取。
③随钻电法探测：通过主机17向随钻电法电极装置7发送探测指令，此时随钻电法电极装置7与孔壁处于耦合接触状态，以保证电流能在随钻电法电极装置7和孔壁之间双向传导，接着随钻电法电极装置7将探测的电法数据反馈给主机17，同时孔外电极12将探测的基准数据反馈主机17，主机17分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成电法探测工作，具体过程为：具体过程为：主机17通过多芯电缆7.2向驱动电机7.13发送电信号，驱动电机7.13带动电动推杆7.11向推杆油缸7.9内移动，通过推杆活塞7.10向液压油7.8施加压力，液压油7.8将压力传递至电极活塞7.6上，进而通过电极活塞7.6压缩导电弹簧7.5，并带动电极棒7.4伸出钻杆外并与钻孔壁压紧接触，同时主机17通过多芯电缆7.2对第一个随钻电法电极装置7的电极棒7.4施加测试电流，当主机17通过第二个随钻电法电极装置7接收到此电流时，说明两个随钻电法电极装置7的电极棒7.4均与钻孔壁耦合良好，此时主机17控制驱动电机7.13停止工作，随钻电法电极装置7处于探测状态；然后开始实施探测，主机17通过第二个随钻电法电极装置7和孔外电极12向地层发射探测电流，其中第二个随钻电法电极装置7作为电极A，孔外电极12作为基准电极B，然后利用第一个随钻电法电极装置7和钻头11接收地层中的电信号并通过多芯电缆7.2传给主机17，其中第一个随钻电法电极装置7作为电极M，钻头11作为电极N，主机17对接收到的电信号进行分析处理，从而得到孔底周围地层的电导率和极化率，当有含水体存在时，该处的电导率和极化率会出现异常(即电导率值和极化率值较大)，从而探测确定含水体的位置；当探测完成时，通过主机17控制驱动电机7.13带动电动推杆7.11缩回，在吸力和导电弹簧7.5的弹力作用下使电极棒7.4收回到钻杆内。
④钻探情况记录：在钻机4钻进过程中，通过钻机4本身配置的传感器及自动记录仪，记录钻进过程中的转速、钻压、钻速、扭矩及振动数据并绘制相关曲线，同时记录钻机4钻进过程中是否出现卡钻、跳钻以及钻孔回水量是否出现明显变化的情况，从而完成第一个随钻物探位置点的探测过程；
E、持续进行各个位置点的探测：第一个随钻物探位置点探测完成后，开启钻机4继续钻进，直到钻头11到达第二个随钻物探位置点，此时停止钻进并重复步骤D中第一个随钻物探位置点的探测过程，完成第二个随钻物探位置点的探测；当钻头11到达异常体邻近区域时，可根据需要加密随钻物探位置点，以获取更精细的异常体探测数据；如此重复，直至完成所有随钻物探位置点探测；
F、探测数据联合解释：将主机17中记录的各个随钻物探位置点的随钻地震探测数据、随钻瞬变电磁探测数据以及随钻电法探测数据进行汇总，剔除掉无法使用或数据质量较差的数据点，保留数据质量相对较好的数据点，然后对三种随钻物探的汇总数据分别进行反演，具体为：首先对第一个随钻探测位置点的数据进行反演，然后取该反演结果的模型数据作为第二个随钻探测位置点的初始模型进行反演，再以该反演结果的模型数据作为第三个随钻探测位置点的初始模型进行反演，以此重复直至覆盖所有随钻物探位置点，最终得到三种随钻物探的反演结果，上述反演过程均采用现有方法，再结合步骤④钻进过程中记录的钻探情况数据进行联合解释，从而能精准判识地质构造的具体方位、含水体的水量和具***置。
如需进行倾斜钻孔超前探测时，如图3所示，钻探物探一体化设备无需穿过TBM护盾壳体1，仅需通过钻孔角度调节机构4.2调节钻机动力头进退滑轨4.3与钻机周向移动滑座4.1之间的角度，后续钻孔探测过程与水平钻孔超前探测时采用相同的探测方式，从而能获取倾斜钻孔的超前探测数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，采用钻探物探一体化探测装置包括钻机、钻机周向移动滑轨、钻探物探一体化设备、多个检波器、主机和孔外电极；所述钻机周向移动滑轨固定在TBM主梁的外圆周；所述钻机包括钻机周向移动滑座、钻孔角度调节机构、钻机动力头进退滑轨和钻机动力头，钻机周向移动滑座装在钻机周向移动滑轨上，且能沿着该滑轨移动；钻孔角度调节机构固定在钻机周向移动滑座上部，钻机动力头进退滑轨装在钻孔角度调节机构上部，钻孔角度调节机构用于调节钻机动力头进退滑轨相对钻机周向移动滑座的角度；钻机动力头装在钻机动力头进退滑轨上，且能沿着该滑轨移动；所述钻探物探一体化设备包括通缆钻杆组、两个随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置、随钻冲击震源装置和钻头，通缆钻杆组由多个通缆钻杆同轴连接组成，通缆钻杆组一端与钻机动力头连接、通缆钻杆组另一端与其中一个随钻电法电极装置一端同轴连接，该随钻电法电极装置另一端通过无磁通缆钻杆与随钻瞬变电磁装置一端同轴连接，随钻瞬变电磁装置另一端通过无磁通缆钻杆与另一个随钻电法电极装置一端同轴连接，另一个随钻电法电极装置另一端与随钻冲击震源装置一端同轴连接，随钻冲击震源装置另一端与钻头同轴连接；其中两个随钻电法电极装置用于随钻电法探测时采集数据，随钻瞬变电磁装置用于随钻瞬变电磁探测时采集数据，随钻冲击震源装置用于随钻地震探测时激发地震波；所述多个检波器分别布设在隧道两侧壁上，且每个侧壁上检波器呈一排布设，用于随钻地震探测时采集地震波数据；孔外电极布设在隧道底板或隧道侧壁的空隙中，用于随钻电法探测时提供基准数据；所述主机装在TBM控制室内，主机与检波器、孔外电极、随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置、钻机和随钻冲击震源装置连接，用于控制随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置、钻机和随钻冲击震源装置的工作状态，并获取随钻地震探测时的数据、随钻电法探测时的数据和随钻瞬变电磁探测时的数据进行综合分析后，确定TBM前方的地质情况，具体步骤为：
A、预设钻杆通孔：针对实施隧道掘进作业的TBM，预先在TBM护盾壳体周边与钻机等高位置设置多个水平钻杆通孔，多个水平钻杆通孔呈环形分布，水平钻杆通孔的孔径尺寸大于钻头直径，确保钻探物探一体化设备能进行水平钻进作业；
B、确定超前探测区段：结合前期勘查设计资料、地质编录以及TBM掘进所实际揭露的围岩状态对地质情况进行分析，确定可能出现的不良地质体及高风险区段；当TBM掘进至距该高风险区段20~40米时，停止掘进，准备实施超前探测；
C、组装及布置钻探物探一体化设备：首先，根据异常体可能存在的方位选择一个步骤A中预设的水平钻杆通孔，并控制钻机在钻机周向移动滑轨上移动，使其钻机动力头与所选水平钻杆通孔处于同一轴线上，然后开始组装钻探物探一体化设备，完成后将钻探物探一体化设备一端与钻机动力头同轴连接、另一端的钻头伸入所选水平钻杆通孔内；
D、实施超前探测：在钻设超前探测钻孔之前，预先在钻孔不同深度等距离设定多个随钻物探位置点，然后通过主机控制钻机启动，使其带动钻头沿钻机动力头进退滑轨向前方移动，进而使钻探物探一体化设备的钻头伸出TBM护盾壳体对前方岩体进行超前钻孔作业，在钻进过程中，当钻头到达第一个随钻物探位置点时停止钻进，并保持钻头与孔底岩石处于紧密接触状态，此时对该随钻物探位置点进行探测，具体过程为：
①随钻地震探测：通过主机向随钻冲击震源装置发送探测指令，随钻冲击震源装置在钻孔内激发地震波，各个检波器将采集的地震数据反馈给主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成地震探测工作；
②随钻瞬变电磁探测：通过主机向随钻瞬变电磁装置发送探测指令，随钻瞬变电磁装置获取周围地质的瞬变电磁信号反馈给主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成瞬变电磁探测工作；
③随钻电法探测：通过主机向随钻电法电极装置发送探测指令，此时随钻电法电极装置与孔壁处于耦合接触状态，以保证电流能在随钻电法电极装置和孔壁之间双向传导，接着随钻电法电极装置将探测的电法数据反馈给主机，同时孔外电极将探测的基准数据反馈主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成电法探测工作；
④钻探情况记录：在钻机钻进过程中，通过钻机本身配置的传感器及自动记录仪，记录钻进过程中的转速、钻压、钻速、扭矩及振动数据并绘制相关曲线，同时记录钻机钻进过程中是否出现卡钻、跳钻以及钻孔回水量是否出现明显变化的情况，从而完成第一个随钻物探位置点的探测过程；
E、持续进行各个位置点的探测：第一个随钻物探位置点探测完成后，开启钻机继续钻进，直到钻头到达第二个随钻物探位置点，此时停止钻进并重复步骤D中第一个随钻物探位置点的探测过程，完成第二个随钻物探位置点的探测；如此重复，直至完成所有随钻物探位置点探测；
F、探测数据联合解释：将主机中记录的各个随钻物探位置点的随钻地震探测数据、随钻瞬变电磁探测数据以及随钻电法探测数据进行汇总，然后对三种随钻物探的汇总数据分别进行反演，具体为：首先对第一个随钻探测位置点的数据进行反演，然后取该反演结果的模型数据作为第二个随钻探测位置点的初始模型进行反演，再以该反演结果的模型数据作为第三个随钻探测位置点的初始模型进行反演，以此重复直至覆盖所有随钻物探位置点，最终得到三种随钻物探的反演结果，再结合步骤④钻进过程中记录的钻探情况数据进行联合解释，从而能精准判识地质构造的具体方位、含水体的水量和具***置。
2. 根据权利要求1 所述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，所述随钻电法电极装置包括随钻电法钻杆、电极棒、导电弹簧、电极活塞、电极油缸、推杆油缸、电动推杆、驱动电机和固定支架；所述随钻电法钻杆两端均通过第一通缆钻杆同型接头分别与通缆钻杆和无磁通缆钻杆同轴连接，驱动电机通过固定支架固定在随钻电法钻杆内，驱动电机的伸出端装有推杆外壳，电动推杆一端伸入推杆外壳内、且与伸出端同轴连接，电动推杆另一端装有推杆活塞，所述电极油缸为多个，多个电极油缸一端均装在推杆油缸的侧面、且均与推杆油缸内部连通，各个电极油缸另一端均与随钻电法钻杆内壁固定连接、且各个电极油缸与内壁连接处均开设通孔；推杆油缸为一端封闭、另一端敞口，电动推杆另一端通过敞口伸入推杆油缸内、且使推杆活塞与推杆油缸内壁之间为滑动密封；所述各个电极油缸内均装有电极棒和导电弹簧，电极棒一端能从通孔伸出、另一端装有电极活塞，且使电极活塞与电极油缸内壁之间为滑动密封；导电弹簧一端与随钻电法钻杆内壁固定连接、另一端固定在靠近电极活塞的电极棒外表面，使随钻电法钻杆、导电弹簧和电极棒之间形成导电通路；推杆油缸和各个电极油缸内均装有液压油；随钻电法钻杆内壁及驱动电机均通过多芯电缆与主机连接，使主机能对电极棒施加电流且对驱动电机的工作状态进行控制；随钻电法电极装置未工作时，电极棒一端未伸出随钻电法钻杆外部，且处于通孔内；随钻电法电极装置工作时，驱动电机使电动推杆向推杆油缸内移动，进而通过液压油传递压力对各个电极活塞施压，当压力大于导电弹簧的形变力时，电极棒一端从通孔伸出随钻电法钻杆外部，且导电弹簧处于压缩状态。
3. 根据权利要求1 所述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，所述随钻瞬变电磁装置包括瞬变电磁钻杆、两个发射线圈、八通道接收线圈、探杆和高精度惯导模块；所述瞬变电磁钻杆两端均通过第二通缆钻杆同型接头分别与无磁通缆钻杆和随钻电法电极装置同轴连接，探杆装在瞬变电磁钻杆内部，探杆内部设有第一仪器仓和第二仪器仓，探杆两端均装有减震块，用于降低外部对第一仪器仓和第二仪器仓的震动；所述八通道接收线圈和两个发射线圈均处于第一仪器仓内，两个发射线圈对称装在八通道接收线圈的两端，用于收发电磁信号；高精度惯导模块装在第二仪器仓内，用于获取瞬变电磁钻杆的实时位姿数据；八通道接收线圈、发射线圈和高精度惯导模块均通过多芯电缆与主机连接，用于将数据反馈给主机，同时通过主机控制八通道接收线圈、发射线圈和高精度惯导模块的工作状态。
4. 根据权利要求1 所述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，所述随钻冲击震源装置包括冲击震源钻杆、两个电机、卷绳器、柔性钢绳、弹簧固定器、两个位置开关、强力弹簧、金属冲击块和两个冲击块滑轨；所述冲击震源钻杆一端通过第三通缆钻杆同型接头与随钻电法电极装置同轴连接，冲击震源钻杆另一端与钻头同轴连接，两个电机对称装在冲击震源钻杆内壁，卷绳器处于两个电机之间、且卷绳器两端分别与两个电机的输出轴同轴连接，卷绳器上缠绕有柔性钢绳，两个冲击块滑轨对称固定在冲击震源钻杆内壁，金属冲击块两端分别装在两个冲击块滑轨上、且金属冲击块能在冲击震源钻杆内部沿着两个冲击块滑轨移动；弹簧固定器固定在卷绳器和金属冲击块之间，强力弹簧处于弹簧固定器和金属冲击块之间、且强力弹簧两端分别与弹簧固定器和金属冲击块固定连接；柔性钢绳一端穿过弹簧固定器与金属冲击块固定连接；所述两个位置开关对称装在两个冲击块滑轨上，用于检测金属冲击块的位置；主机与两个电机和两个位置开关均通过多芯电缆连接，用于控制两个电机的工作状态及接收两个位置开关的反馈信号；未工作时，强力弹簧处于未受力状态；工作时，第一阶段为蓄力状态，此时供电使两个电机同步转动，两个电机通过卷绳器缠绕柔性钢绳，使金属冲击块向卷绳器方向移动，同时强力弹簧受力压缩增加弹性势能；第二阶段为冲击阶段，当金属冲击块到达两个位置开关处，位置开关反馈信号给主机，主机停止对两个电机的供电，此时金属冲击块受强力弹簧的弹性势能作用快速向钻头移动，并带动柔性钢绳伸长，直至金属冲击块与钻头冲击碰撞。
5. 根据权利要求1 所述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，在TBM护盾壳体上设有多个水平钻杆通孔，各个水平钻杆通孔成环形分布，且能使钻机到达对应位置时钻探物探一体化设备能穿过水平钻杆通孔伸出至TBM前方进行探测。
6. 根据权利要求1 所述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，所述主机与孔外电极通过孔外电极电缆连接，主机与检波器通过地震信号传输线缆连接。
7.根据权利要求1所述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，所述步骤①的随钻地震探测具体过程为：主机通过多芯电缆控制两个电机同步带动卷绳器转动，进而通过卷收柔性钢绳带动金属冲击块沿着冲击块滑轨向卷绳器方向移动，同时使强力弹簧压缩积蓄弹性势能，当金属冲击块滑动至位置开关时，位置开关反馈信号给主机，主机停止对两个电机的供电，此时金属冲击块具有较大弹性势能，此时金属冲击块受强力弹簧的弹性势能作用快速向钻头移动，直至金属冲击块与钻头冲击碰撞，钻头再将该冲击力传递至与之紧密接触的孔底岩石上，从而产生地震波，震源激发完成；当地震波向前传播时，遇到异常构造会发生反射，反射回来的地震波被各个检波器接收，再经过地震信号传输线缆将信号传递给主机，主机能对地震信号进行初步分析处理，从而判断前方是否存在地质构造，并辨识其大***置。
8.根据权利要求1所述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，所述步骤②的随钻瞬变电磁探测具体过程为：主机通过多芯电缆向发射线圈通入阶跃脉冲电流，发射线圈向四周发射阶跃脉冲磁场，脉冲磁场遇到含水体时会在其内引起感应涡流场，八通道接收线圈能观测该感应涡流场，并将接收的瞬变电磁响应数据通过多芯电缆回传给主机，主机对瞬变电磁信号进行初步分析处理，从而判断前方是否存在含水体，并辨识其大***置；同时，高精度惯导模块实时记录随钻瞬变电磁装置的方位角、倾角、横滚角的轨迹信息，并通过多芯电缆回传给主机，主机再结合钻孔深度数据能实时确定随钻瞬变电磁装置及其他探测装置的具***置。
9.根据权利要求1所述用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，所述步骤③的随钻电法探测具体过程为：主机通过多芯电缆向驱动电机发送电信号，驱动电机带动电动推杆向推杆油缸内移动，通过推杆活塞向液压油施加压力，液压油将压力传递至电极活塞上，进而通过电极活塞压缩导电弹簧，并带动电极棒伸出钻杆外并与钻孔壁压紧接触，同时主机通过多芯电缆对第一个随钻电法电极装置的电极棒施加测试电流，当主机通过第二个随钻电法电极装置接收到此电流时，说明两个随钻电法电极装置的电极棒均与钻孔壁耦合良好，此时主机控制驱动电机停止工作，随钻电法电极装置处于探测状态；然后开始实施探测，主机通过第二个随钻电法电极装置和孔外电极向地层发射探测电流，其中第二个随钻电法电极装置作为电极A，孔外电极作为基准电极B,然后利用第一个随钻电法电极装置和钻头接收地层中的电信号并通过多芯电缆传给主机，其中第一个随钻电法电极装置作为电极M，钻头作为电极N，主机对接收到的电信号进行分析处理，从而得到孔底周围地层的电导率和极化率，当有含水体存在时，该处的电导率和极化率会出现异常，从而探测确定含水体的位置；当探测完成时，通过主机控制驱动电机带动电动推杆缩回，在吸力和导电弹簧的弹力作用下使电极棒收回到钻杆内。
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